李瑞睿，周 熙，鄭相全，葉久志

(重慶通信學(xué)院，重慶 400035)

隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的不斷發(fā)展，流媒體技術(shù)(Streaming Media)日益成熟并普及。如今，流媒體技術(shù)被廣泛用于視頻點(diǎn)播、視頻直播和實(shí)時(shí)視頻會(huì)議等實(shí)時(shí)服務(wù)領(lǐng)域，為網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展注入了新的活力。但流媒體用戶的急劇增加及其種類繁多的應(yīng)用形式，給現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)資源也帶來(lái)了極大的負(fù)擔(dān)。同時(shí)，通用覆蓋網(wǎng)絡(luò)概念的提出，使覆蓋網(wǎng)絡(luò)不再僅針對(duì)一項(xiàng)特定的應(yīng)用。根據(jù)服務(wù)要求，利用通用覆蓋網(wǎng)絡(luò)提供的一項(xiàng)或幾項(xiàng)性能保證，并以此為基礎(chǔ)進(jìn)行平臺(tái)擴(kuò)展，可適應(yīng)特定的某項(xiàng)應(yīng)用。Spines是目前較常用的一種通用覆蓋網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)，可支持有較高QoS要求的實(shí)時(shí)流媒體服務(wù)。因此，本文選擇在Spines覆蓋網(wǎng)絡(luò)上對(duì)流媒體的多流并行傳輸進(jìn)行研究。

1 Spines覆蓋網(wǎng)絡(luò)[1]

Spines是一種源代碼公開(kāi)的通用覆蓋網(wǎng)絡(luò)，由約翰-霍普金斯大學(xué)的分布式網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)發(fā)，常被用于覆蓋網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的測(cè)試和開(kāi)發(fā)。

1.1 Spines軟件結(jié)構(gòu)

Spines覆蓋網(wǎng)絡(luò)的每一個(gè)Spines節(jié)點(diǎn)由Spines覆蓋網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)覆蓋節(jié)點(diǎn)與一個(gè)Spines的Daemon軟件構(gòu)成。它的結(jié)構(gòu)分為用戶層和覆蓋網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)層兩個(gè)功能層層次，在每項(xiàng)應(yīng)用中具體表現(xiàn)為：會(huì)話層、覆蓋網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)層和覆蓋鏈路層，如圖1所示。

會(huì)話層是覆蓋網(wǎng)絡(luò)上的應(yīng)用程序接口，Spines會(huì)話層為用戶應(yīng)用提供了應(yīng)用程序接口。用戶通過(guò)連接到Daemon進(jìn)行會(huì)話建立，如果需要與其他的用戶進(jìn)行端到端的可靠通信，Daemon就會(huì)初始化端到端的會(huì)話模塊，并由TCP提供可靠連接。當(dāng)用戶要求進(jìn)行盡力而為的通信時(shí)，數(shù)據(jù)利用UDP傳輸，而控制信息仍通過(guò)TCP來(lái)傳輸。因此，Spines可利用會(huì)話模塊管理兩個(gè)終端應(yīng)用之間數(shù)據(jù)的輸入輸出次序、端到端擁塞控制和流擁塞控制，以降低丟包率，提供端到端的可靠通信。

覆蓋網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)層則主要用于鏈路資源和網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞墓芾?，?shí)現(xiàn)應(yīng)用層數(shù)據(jù)的路由轉(zhuǎn)發(fā)。每個(gè)覆蓋節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)保證與鄰居節(jié)點(diǎn)的連接，各鄰居節(jié)點(diǎn)間通過(guò)不可靠Hell包，定期互相發(fā)送Ping消息來(lái)檢測(cè)彼此間的連接情況。Hello協(xié)議為Spines相鄰Daemon之間提供了創(chuàng)建、銷毀、檢測(cè)虛擬鏈路和測(cè)量鏈路的延時(shí)特性。同時(shí)，覆蓋節(jié)點(diǎn)則需通過(guò)虛擬鏈路前向傳輸數(shù)據(jù)包或是傳送信息給其自己的客戶。而Spines虛擬鏈路上的每一個(gè)數(shù)據(jù)前向轉(zhuǎn)發(fā)器(Data-Forworder)都會(huì)解析消息頭，然后把它傳向下一個(gè)鏈路或傳給Daemon接口。為了實(shí)現(xiàn)不同的前向數(shù)據(jù)傳輸機(jī)制，Data-Forworder允許可靠會(huì)話和盡力而為會(huì)話。

圖1 Spines軟件結(jié)構(gòu)

而覆蓋鏈路層是建立在IP網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)上，通過(guò)UDP連接，可實(shí)現(xiàn)盡力而為數(shù)據(jù)鏈路、可靠數(shù)據(jù)鏈路、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)鏈路和控制鏈路四種虛擬鏈路。節(jié)點(diǎn)之間通過(guò)虛擬鏈路建立連接和發(fā)送數(shù)據(jù)。由于Data Forworder支持實(shí)時(shí)鏈路、可靠鏈路或不可靠鏈路之間的任意結(jié)合使用，用戶可根據(jù)具體的應(yīng)用需求，選擇更合適的鏈路傳輸數(shù)據(jù)。

1.2 Spines主要協(xié)議

(1)逐跳傳輸協(xié)議

Spines采用了逐跳傳輸協(xié)議，通過(guò)逐跳傳輸?shù)姆绞綄?shí)現(xiàn)逐跳的擁塞控制和丟包恢復(fù)，為Spines覆蓋鏈路提供數(shù)據(jù)的可靠傳輸。由于使用存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)的方式，特別在網(wǎng)絡(luò)狀況較差的情況下，當(dāng)發(fā)生丟包時(shí)無(wú)需從發(fā)送端重傳便能實(shí)現(xiàn)丟包恢復(fù)，較好地改進(jìn)了傳輸性能。因此，可通過(guò)覆蓋網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)檢測(cè)丟包，并執(zhí)行重發(fā)，與端到端傳輸相比，具有較小的傳輸時(shí)延，減少了覆蓋路由的開(kāi)銷，提高了鏈路的吞吐量。

(2)實(shí)時(shí)恢復(fù)協(xié)議

Spines的實(shí)時(shí)恢復(fù)協(xié)議則進(jìn)一步改善了實(shí)時(shí)傳輸?shù)臅r(shí)延、丟包率和吞吐量等性能，可以支持對(duì)QoS有較高要求的實(shí)時(shí)多媒體業(yè)務(wù)，如VoIP、視頻會(huì)議等。

(3)Spines多播

Spines結(jié)合IP多播的優(yōu)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了覆蓋多播。Spines多播支持同時(shí)有多個(gè)發(fā)送者和多個(gè)接收者的多播服務(wù)，并支持多個(gè)多播組。它使用D類的IP地址來(lái)定義一個(gè)多播組，當(dāng)發(fā)送數(shù)據(jù)到某個(gè)多播組時(shí)，代表多播組地址作為目的地址。

(4)Hello協(xié)議

Hello協(xié)議實(shí)現(xiàn)的功能主要有：通過(guò)類似TCP連接的“三次握手”機(jī)制，建立、拆除、檢測(cè)Spines覆蓋網(wǎng)絡(luò)中鄰居節(jié)點(diǎn)之間的連接；通過(guò)頻率性的發(fā)送Hello包，測(cè)量鄰居節(jié)點(diǎn)間鏈路的往返時(shí)間；根據(jù)Hello包所攜帶的丟包信息，計(jì)算鏈路的丟包率；使用Hello協(xié)議來(lái)更新路由代價(jià)。

(5)State Flood協(xié)議

State Flood協(xié)議可實(shí)現(xiàn)Spines網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浼岸嗖バ畔⒌母?，采用“洪泛”的方式?lái)向整個(gè)網(wǎng)絡(luò)傳播拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)信息(Link State)和多播組信息(Grou Pstate)。

1.3 Spines優(yōu)缺點(diǎn)分析

(1)Spines優(yōu)點(diǎn)

Spines的主要協(xié)議使其可以支持有較高QoS要求的實(shí)時(shí)流媒體業(yè)務(wù)，如VoIP和實(shí)時(shí)視頻會(huì)議等。因此可將其作為通用覆蓋網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)，研究用于流媒體服務(wù)的覆蓋網(wǎng)絡(luò)性能、QoS路由及多流并行技術(shù)等。Spines與流媒體技術(shù)、QoS路由、多流并行傳輸技術(shù)結(jié)合，可提供質(zhì)量更好的實(shí)時(shí)流媒體服務(wù)。

(2)Spines缺點(diǎn)

由于每個(gè)Daemon連接不同數(shù)量的應(yīng)用，且每個(gè)應(yīng)用從Daemon中獲取務(wù)的要求也不同，引起Spines的負(fù)載不均衡問(wèn)題。而Daemon之間采用的“洪泛”服務(wù)查詢機(jī)制，當(dāng)Daemon較多時(shí)，會(huì)產(chǎn)生網(wǎng)絡(luò)擁塞問(wèn)題。且當(dāng)某一Daemon因故退出網(wǎng)絡(luò)時(shí)，在它之間獲取服務(wù)的應(yīng)用所需要的服務(wù)并不能被其他Daemon發(fā)現(xiàn)，使Spines網(wǎng)絡(luò)不能支持網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)變化的問(wèn)題。

目前要在Internet上傳輸流媒體數(shù)據(jù)，首先必須解決的三個(gè)最重要的問(wèn)題包括：網(wǎng)絡(luò)帶寬的供不應(yīng)求問(wèn)題、流媒體數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸問(wèn)題及多媒體數(shù)據(jù)流的強(qiáng)突發(fā)性問(wèn)題。針對(duì)這些問(wèn)題，結(jié)合Spines覆蓋網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)缺點(diǎn)，下面分別介紹基于Spines覆蓋網(wǎng)絡(luò)的流媒體多路路由方案及其改進(jìn)方案。

2 基于Spines覆蓋網(wǎng)絡(luò)的流媒體多路路由方案

多路路由能有效利用物理網(wǎng)絡(luò)資源，尋找源與目的端之間的多條路徑，使數(shù)據(jù)遵循一定的策略在網(wǎng)絡(luò)中傳輸。所以基于流媒體服務(wù)的覆蓋網(wǎng)絡(luò)采用多路路由方案可以整合不同網(wǎng)絡(luò)信道上的剩余帶寬，使流媒體數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡(luò)中傳輸?shù)馁|(zhì)量最大化，并提供比單路徑路由更高的速率來(lái)傳輸數(shù)據(jù)，同時(shí)保證網(wǎng)絡(luò)性能的穩(wěn)定。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外對(duì)覆蓋網(wǎng)絡(luò)及流媒體多路路由的研究逐漸向多元性、復(fù)雜性方向發(fā)展。

2.1 覆蓋網(wǎng)絡(luò)及流媒體多路由研究現(xiàn)狀

[2]提出了利用多路徑代替單路徑的方法提高覆蓋網(wǎng)絡(luò)QoS性能；參考文獻(xiàn)[3]提出了提高覆蓋網(wǎng)絡(luò)多路徑路由吞吐量的方法；參考文獻(xiàn)[4]分析了多路徑路由的多路徑相關(guān)性，提出了提高網(wǎng)絡(luò)QoS應(yīng)注意的幾個(gè)問(wèn)題，并以網(wǎng)絡(luò)SNR(Signal to Noise Ratio)為例提出了優(yōu)化方法；參考文獻(xiàn)[5]提出了如何使用多網(wǎng)絡(luò)路徑，利用合成帶寬尋找最好的路徑，從而提高媒體流可靠性的方法。而目前，對(duì)流媒體多路路由算法的研究主要有 ：MDC[6-7]、FGS[8]、MIRO[9]和一種新的覆蓋網(wǎng)絡(luò)視頻流多路選擇方案[10]等，但這些方案都沒(méi)有綜合考慮多路路由時(shí)路徑之間的相關(guān)性問(wèn)題。

2.2 基于Spines覆蓋網(wǎng)絡(luò)的流媒體多路路由

Spines覆蓋網(wǎng)絡(luò)能穩(wěn)定地提供較好的流媒體服務(wù)，但是其靈活性和動(dòng)態(tài)性較差，無(wú)法滿足網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)變化。Spines中任一節(jié)點(diǎn)加入、退出或是失效都可能會(huì)引起整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的癱瘓，網(wǎng)絡(luò)的可擴(kuò)展性也較差。這也將無(wú)法滿足日益增加的流媒體用戶需求。相比之下，同樣具有自組織結(jié)構(gòu)的P2P網(wǎng)絡(luò)則具有很高的耐攻擊性和容錯(cuò)性。由于采用自組織的方式，P2P網(wǎng)絡(luò)可支持節(jié)點(diǎn)的動(dòng)態(tài)加入和離開(kāi)，且一般的P2P架構(gòu)在出現(xiàn)節(jié)點(diǎn)失效時(shí)能夠自動(dòng)調(diào)整拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，保持其連通性。

而分布式哈希表 (DHT)路由算法是P2P的核心技術(shù)，可高效合理地實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)資源的索引及管理。在Spines網(wǎng)絡(luò)的覆蓋節(jié)點(diǎn)層中引入DHT技術(shù)，可提供一個(gè)具有高擴(kuò)展性的節(jié)點(diǎn)命名、路由發(fā)現(xiàn)和更新機(jī)制。它通過(guò)為每一個(gè)實(shí)體指定唯一的標(biāo)識(shí)，并通過(guò)路由表來(lái)確定本節(jié)點(diǎn)的鄰節(jié)點(diǎn)，再向其鄰節(jié)點(diǎn)傳遞消息。依此逐一通過(guò)多個(gè)節(jié)點(diǎn)的逐跳傳輸后到達(dá)目標(biāo)節(jié)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)任意兩節(jié)點(diǎn)間的通信。因此，在Spines覆蓋網(wǎng)絡(luò)中引入P2P核心技術(shù)DHT可實(shí)現(xiàn)一種完全自組織的分布式覆蓋網(wǎng)絡(luò)。

同時(shí)，為了合理地利用剩余帶寬資源，解決網(wǎng)絡(luò)資源貧乏的問(wèn)題，在自組織的Spines覆蓋網(wǎng)絡(luò)中引入多路并行方案，可從源節(jié)點(diǎn)同時(shí)并行傳輸流媒體數(shù)據(jù)的多條數(shù)據(jù)流到目的節(jié)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)具有一定QoS保證的實(shí)時(shí)流媒體服務(wù)。

3 基于Spines覆蓋網(wǎng)絡(luò)的流媒體多路路由改進(jìn)方案

隨著分布式技術(shù)的發(fā)展，人們將更多的注意力投向分布式網(wǎng)絡(luò)的可靠性及可用性。對(duì)分布式數(shù)據(jù)的管理問(wèn)題成為分布計(jì)算領(lǐng)域的又一熱點(diǎn)。本文引入了LEACH(Low Energy Adaptive Clustering Hierarchy)[11]協(xié)議，利用聚類首領(lǐng)機(jī)制有效抗擊惡意攻擊，增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)的抗毀性，從而提高網(wǎng)絡(luò)的可靠性。

3.1 LEACH協(xié)議

LEACH是MIT的Chandrakasan等人為無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)的低功耗自適應(yīng)聚類路由算法。相比一般的平面多跳路由協(xié)議和靜態(tài)聚類算法，LEACH可以將網(wǎng)絡(luò)生命周期延長(zhǎng) 15%。LEACH定義了“輪(Round)”的概念，一輪由初始化和穩(wěn)定工作兩個(gè)階段組成。它主要通過(guò)隨機(jī)機(jī)制選擇聚類首領(lǐng)，平均分擔(dān)中繼通信業(yè)務(wù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。為了避免額外的處理開(kāi)銷，穩(wěn)定工作狀態(tài)一般持續(xù)的時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)。聚類首領(lǐng)選擇機(jī)制為：在初始化階段，將傳感器節(jié)點(diǎn)生成0～1之間的隨機(jī)數(shù)，若大于閾值T(n)，則選該節(jié)點(diǎn)為聚類首領(lǐng)。T(n)的定義如下：

其中，p為節(jié)點(diǎn)中成為聚類首領(lǐng)的百分?jǐn)?shù)，r是當(dāng)前的輪數(shù)，G是在過(guò)去的1/p輪沒(méi)有被選擇為聚類首領(lǐng)的節(jié)點(diǎn)的集合。

當(dāng)聚類首領(lǐng)被選定，它們便主動(dòng)向所有節(jié)點(diǎn)廣播這一消息。依據(jù)接收信號(hào)的強(qiáng)度，節(jié)點(diǎn)選擇它所要加入的組，并告知相應(yīng)的聚類首領(lǐng)。

在穩(wěn)定工作階段，節(jié)點(diǎn)持續(xù)采集監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，傳給聚類首領(lǐng)，進(jìn)行必要的融合處理之后，發(fā)送到Sink節(jié)點(diǎn)。因此，這是一種減小通信業(yè)務(wù)量的合理工作模式。在持續(xù)一段時(shí)間后，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)入下一輪工作周期，重新選擇聚類首領(lǐng)。由于節(jié)點(diǎn)是根據(jù)信號(hào)的強(qiáng)弱來(lái)加入相應(yīng)的組，所以當(dāng)惡意攻擊者采用Hello Flood大功率進(jìn)行廣播時(shí)，大量的節(jié)點(diǎn)都想加入到該組中。接著惡意節(jié)點(diǎn)采用諸如選擇重發(fā)、修改數(shù)據(jù)包等其他的攻擊方法，來(lái)達(dá)到攻擊的目的。但采用這種聚類首領(lǐng)的產(chǎn)生機(jī)制，節(jié)點(diǎn)可以通過(guò)Svbil攻擊增加自己被選擇為首領(lǐng)的機(jī)會(huì)，從而抵制惡意攻擊。

3.2 基于Spines覆蓋網(wǎng)絡(luò)的流媒體多流并行傳輸

基于LEACH協(xié)議的原理，通過(guò)周期性的選擇聚類首領(lǐng)，將集中的數(shù)據(jù)訪問(wèn)合理地分布到不同的節(jié)點(diǎn)和網(wǎng)絡(luò)路徑上，利用不同的聚類首領(lǐng)平衡網(wǎng)絡(luò)的負(fù)載，從而有效地解決熱點(diǎn)問(wèn)題，提高系統(tǒng)性能。

根據(jù)以上分析，提出了基于Spines覆蓋網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)的流媒體端對(duì)端的多流并行實(shí)時(shí)傳輸方案，以改進(jìn)流媒體服務(wù)系統(tǒng)并行傳輸?shù)腝oS，如圖2所示。

圖2 基于Spines覆蓋網(wǎng)絡(luò)的流媒體多路并行傳輸構(gòu)架圖

圖2中，以現(xiàn)有Internet設(shè)施為基礎(chǔ)，在應(yīng)用層的主機(jī)上運(yùn)行Spines節(jié)點(diǎn)軟件，構(gòu)建 Spines覆蓋網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)覆蓋網(wǎng)絡(luò)的協(xié)調(diào)工作，實(shí)現(xiàn)了具有一定QoS保證的流媒體實(shí)時(shí)應(yīng)用。其中結(jié)合了DHT技術(shù)、LEACH協(xié)議及QoS多路路由方案等。

本文以Spines覆蓋網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)，對(duì)流媒體實(shí)時(shí)并行傳輸?shù)腝oS多路路由進(jìn)行了研究。一方面，引入DHT技術(shù)，有效提高了Spines覆蓋網(wǎng)絡(luò)的可擴(kuò)展性；另一方面，引入LEACH協(xié)議的聚類首領(lǐng)機(jī)制，有效提高了網(wǎng)絡(luò)的可靠性和可用性。但Spines的實(shí)時(shí)傳輸要求逐跳的時(shí)延不能太大，否則就難以發(fā)揮逐跳傳輸?shù)膬?yōu)勢(shì)。這里就有一個(gè)參數(shù)折衷的問(wèn)題。同時(shí)節(jié)點(diǎn)的加入、離開(kāi)造成鏈路性能的動(dòng)態(tài)變化，覆蓋網(wǎng)絡(luò)QoS多路路由算法對(duì)可用帶寬的測(cè)量也是一個(gè)問(wèn)題。隨著寬帶網(wǎng)絡(luò)及3G網(wǎng)絡(luò)的普及，對(duì)基于覆蓋網(wǎng)絡(luò)的流媒體傳輸?shù)腝oS問(wèn)題的研究也越來(lái)越重要。

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